Voiko tekoälyohjattu robottinen eksoskeleton ehkäistä tuki- ja liikuntaelinvammoja?

Tekoälyn kehitys vaikuttaa myös robotiikkaan ja kuntoutusteknologiaan. Näiden alojen yhdistäminen voi helpottaa kehoa tukevien robottisten ulkoisten tukirankojen eli eksoskelettien käyttöä arjessa. Tässä tarkastellaan uuden ohjaustekniikan mahdollisuuksia ja sen rajoituksia.

Miksi eksoskeletit eivät ole vielä arkipäivää?

Robottisia eksoskeletteja on kehitetty pitkään. Niitä käytetään jo tietyissä kuntoutus- ja työtehtävissä, mutta tavallisessa arjessa ne ovat edelleen harvinaisia. Käytettävyyttä rajoittavat muun muassa hinta, paino, turvallisuus, käyttötarkoitus ja ohjausjärjestelmät.

Ohjelmiston on sovitettava laitteen antama tuki käyttäjän liikkeisiin. Niveltä liikuttavan moottorin rakentaminen ei vielä ratkaise sitä, miten järjestelmä tunnistaa käyttäjän aikomuksen ja antaa sopivan avustuksen. Myös laitteiston ja virtalähteen rajoitukset ovat tärkeitä.

Lähde: Ekso Bionics

Monet eksoskeletit vaativat käyttäjä- tai tehtäväkohtaista säätöä ja kalibrointia. Tämä voi vaikeuttaa siirtymistä tilanteesta toiseen ja rajoittaa käytännön käyttöä.

Monipuolisempien eksoskelettien luominen

Kehittäjät ovat pyrkineet vähentämään näitä rajoituksia ohjelmistolla ja tekoälyllä. Eräät ohjaimet tunnistavat liikkeen tai tehtävän ja valitsevat sitä vastaavan avustusmallin. Laskentateho, energiankulutus ja luotettava toiminta vaihtelevissa tilanteissa ovat edelleen suunnittelun haasteita.

Uusi lähestymistapa

Aaron Youngin johtama Georgia Techin tutkijaryhmä kehitti lähestymistavan, jossa ohjaus perustuu käyttäjän liikkeisiin eikä ympäristön tai tehtävän erilliseen luokitteluun. Tavoitteena on yleiskäyttöisempi ohjain robottisille eksoskeleteille.

Tutkimuksessa esiteltiin eksoskeletonin ohjausjärjestelmä, joka ei vaadi tutkittujen käyttäjien yksilöllistä algoritmin säätöä tai kalibrointia. Se mukauttaa avustusta esimerkiksi kävelyyn sekä portaissa ja luiskilla liikkumiseen. Tämä ei tarkoita, ettei laitteen sovittamista tai turvallista käyttöä tarvitsisi opetella.

Käyttäjän liikkeet ohjauksen perustana

Tutkimuksen keskeinen ajatus on arvioida käyttäjän tarvitsemaa apua hänen omasta liikkeestään sen sijaan, että laite ensin tunnistaisi ympäristön. Tekoäly voi auttaa tulkitsemaan liikkeen ja kuormituksen välisiä yhteyksiä anturitiedoista.

Tekoäly

Järjestelmä hyödyntää syväoppimismallia, joka arvioi ihmisen liikettä ja siihen tarvittavaa nivelvoimaa. Opetuksessa käytetään voima- ja liikkeenkaappausmittauksia. Ohjain voi mukauttaa avustusta ilman erillistä käsin tehtävää tilan vaihtoa jokaiselle tutkitulle liikkeelle.

Tekoälyn koulutus

Mallin opettamista varten tutkijat keräsivät liikeaineistoa eri sukupuolia ja vartalotyyppejä edustavilta osallistujilta. Anturien avulla mitattiin, miten käyttäjät liikkuivat eri tehtävissä.

Osallistujat tekivät erilaisia liikkeitä, kuten kävelyä, juoksua ja hyppyjä, sekä kulkivat portaita ja luiskia. Voimalevyillä mitattiin liikkeisiin liittyviä voimia. Nämä olivat aineistonkeruun osallistujia, eivät automaattisesti kliinisen tutkimuksen vertailuryhmä.

Kerättyä aineistoa käytettiin syväoppimismallin kouluttamiseen. Sen avulla arvioitiin nivelten toimintaa eri liikkeissä. Lopputuloksena oli ohjain, joka perustaa avustuksensa käyttäjän liikkeeseen eikä vain ennalta määritettyihin ympäristöluokkiin.

Aikaisemmat tekoälyhankkeet

Youngin tutkimusryhmä kehittää myös muita robotiikkaa ja tekoälyä hyödyntäviä apuvälineitä. Hankkeisiin kuuluu liikkumisen tukeminen amputaatioiden jälkeen sekä neurologisista vaurioista toipuvien lasten kuntoutus. Proteesit ja kehon liikettä avustavat eksoskeletit ovat eri laitetyyppejä.

Eksoskeletit voivat tukea toimintakykyä

Robottiset eksoskeletit voivat auttaa joitakin toimintarajoitteisia käyttäjiä liikkumaan ja tukea kävelykuntoutusta. Hyöty riippuu käyttäjän tilanteesta, laitteen käyttötarkoituksesta ja kliinisestä näytöstä.

Teollisuudessa tukirankoja tutkitaan kuormituksen ja väsymisen vähentämiseksi. Mahdollisia käyttökohteita on myös logistiikassa ja sotilastehtävissä. Vammojen ehkäisyä tai parempaa toimintakykyä ei kuitenkaan voida luvata kaikille käyttäjille.

Innovatiivisia ratkaisuja toipumiseen ja kuntoutukseen

Robotiikka ja tekoäly tarjoavat uusia mahdollisuuksia kuntoutukseen ja apuvälineiden suunnitteluun. Seuraavat esimerkit kuvaavat erilaisia lähestymistapoja: yksilöllisiä proteesien ulkokuoria ja kävelyä avustavaa pehmeää eksopukua.

1. Limbitless Solutions

Keski-Floridan yliopistossa toimiva Limbitless Solutions sai alkunsa vuonna 2014. Ryhmä kehittää lapsille bionisia proteeseja ja yksilöllisiä ulkokuoria, joilla käyttäjä voi ilmaista omaa tyyliään.

Lapset voivat suunnitella ulkokuoren vaihtoehtoja Adoben (ADBE ) tekoälypohjaisen kuvageneraattorin avulla. Tekstikuvauksista syntyviä malleja voidaan muokata käyttäjän toiveiden mukaan. Valittu kuori valmistetaan 3D-tulostamalla ja kiinnitetään proteesiin.

Hankkeessa on tehty yhteistyötä Orlando Health Arnold Palmer Hospital for Children -lastensairaalan kanssa. Yksilöllinen ulkoasu voi vahvistaa käyttäjän myönteistä suhdetta apuvälineeseen. Tämä on eri tavoite kuin proteesin motorisen toiminnan parantaminen tekoälyllä.

2. ReWalk Robotics eli Lifeward

LFWD Hintakaavio

Lifewardin ReStore on pehmeä robottinen eksopuku, joka tukee aivohalvauksen jälkeistä kävelykuntoutusta ammattilaisen ohjauksessa. Se avustaa nilkan liikettä ja mukautuu kävelyn vaiheisiin. ReStore sai FDA:n hyväksynnän markkinoille vuonna 2019; kyse ei ole tämän tutkimuksen uudesta yleisohjaimesta.

Pehmeät materiaalit vähentävät laitteen painoa ja voivat helpottaa pukemista. Soveltuvuus, sovitus ja käyttötapa arvioidaan kuntoutuksessa yksilöllisesti. Kevyt rakenne ei yksin takaa alhaisinta hintaa.

Järjestelmän asetuksia ja avustusta ohjataan sitä varten suunnitellulla käyttöliittymällä. Eri Lifeward-tuotteiden ohjaimia ja käyttötiloja ei pidä sekoittaa keskenään.

Lifeward tarjoaa erilaisia robottisia kuntoutus- ja liikkumisratkaisuja. Viranomaishyväksynnät ja CE-merkinnät koskevat tiettyjä tuotteita ja käyttötarkoituksia. Ne eivät automaattisesti takaa vakuutuskorvausta kaikille käyttäjille.

Älykkäiden eksoskelettien käyttökohteita

Eksoskeletteja tutkitaan useille aloille. Käyttötarkoitukset vaihtelevat kuntoutuksesta fyysisen työn tukemiseen ja sotilassovelluksiin.

Sotilaskäyttö

Sotilasorganisaatiot ovat pitkään tutkineet eksoskeletteja. Esimerkiksi DARPA on rahoittanut niihin liittyvää tutkimusta ja kehitystä. Mahdolliset hyödyt on sovitettava yhteen painon, energiankulutuksen ja kenttäolosuhteiden kanssa.

Tukirangat voivat tulevaisuudessa auttaa kantamaan varusteita, kulkemaan pitkiä matkoja tai siirtämään loukkaantuneita. Käytännön hyöty riippuu laitteen luotettavuudesta ja tehtävästä.

Teollisuus

Teollisuusrobotit ovat parantaneet monien valmistusprosessien tarkkuutta ja toistettavuutta. Uusien anturi- ja ohjausratkaisujen avulla robotit voivat mukautua aiempaa monipuolisempiin tehtäviin.

Amazonin (AMZN ) kaltaiset yritykset käyttävät robotteja esimerkiksi varastoissa. Tekoäly voi helpottaa ihmisten ja koneiden yhteistyötä. Myös eksoskeletteja käyttävät työntekijät voivat tulevaisuudessa toimia samassa ympäristössä robottien kanssa.

Avaruustoiminta

Robotiikka auttaa jo avaruuden tutkimuksessa ja kansainvälisellä avaruusasemalla. Eksoskeletteja voidaan tutkia myös astronauttien liikunnan ja toimintakyvyn tukemiseen.

NASA esitteli X1-eksoskeletonin vuonna 2012. NASA, IHMC ja Oceaneering kehittivät sitä Robonaut 2 -teknologian pohjalta. Laite voi avustaa tai vastustaa jalkojen liikkeitä. Sitä tutkittiin astronauttien harjoitteluun avaruudessa sekä alaraajahalvaantuneiden liikkumisen tukemiseen maapallolla, ei ainoastaan lonkkaleikkausten jälkeiseen kuntoutukseen.

Älykkäät eksoskeletit voivat helpottaa arkea

Raskaiden tavaroiden kantaminen ja muu kuormittava työ havainnollistavat eksoskelettien mahdollista hyötyä. Tekoälypohjainen ohjaus voi tehdä avustuksesta joustavampaa. Turvallisuus, käytettävyys ja todellinen kuntoutus- tai vammojenehkäisyhyöty on silti osoitettava kuhunkin käyttötarkoitukseen sopivalla näytöllä.

Lisätietoa muista teknologiahankkeista on täällä.